JP6207701B1 - 永久磁石モータおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コギングトルクなどによるトルク脈動の小さな永久磁石モータおよびその製造方法を得る。【解決手段】コアバック部４ａの内側に複数のティース部４ｂが形成されたステータ鉄心４、およびティース部４ｂのスロットに巻回された巻線５を有するステータ２と、永久磁石８を有しステータ２の内側に回転自在に配置されたロータ３とを備え、ステータ鉄心４は、コアバック部４ａとティース部４ｂとが径方向で分割され、かつ、ティース部４ｂの内径側でティース先端部が連結されて一体に形成されており、ステータ鉄心４の内径は、治具１１により、周方向において特定の次数で変形されているとともに、ステータ鉄心４の軸方向で変形に位相差を有し、軸方向の全長では変形量がキャンセルされるように構成されている。【選択図】図３

Description

この発明は、例えば、電動パワーステアリング装置に用いられる永久磁石モータおよびその製造方法に関するものである。

従来の永久磁石モータにおいて、ステータ鉄心の分割構造は種々提案されている。ステータ鉄心をヨークとティースに半径方向に２分割するような構造では、ステータ鉄心の内径の寸法精度の向上や機械的強度を得ることが難しい。内径の寸法精度の悪化によって、回転子の磁束密度の変化が大きく現れることになり、コギングトルクなどのトルク脈動を大きくして不安定なモータとなる。そこで、ステータ鉄心の内径の真円度を向上させるため、例えば、ステータ鉄心のヨークとティースを分割した構造において、ステータ鉄心の内径側を略円柱状の金型で拘束し、ステータ鉄心の外径側から内径側に向かって外力を与える方法により、ステータ鉄心の内径真円度を改善する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３６７８１０２号公報（第２−３頁、図１）

永久磁石モータにおいて、エアギャップを介してロータと対向するステータの内径真円度が悪化すると、エアギャップが周方向に不均一となり磁束の流れが均一でなくなることによるパーミアンス変化が生じ、これとロータ起磁力により、モータの極スロットの組み合わせで、特定のコギングなどのトルク脈動が発生する。
例えば、１０極１２スロットではステータ内径が２次に変形（楕円に変形）することで、コギング１０次成分が発生する。１４極１８スロットでは、ステータ内径が１４次に変形することで、コギング１４次成分が発生する。８極４８スロットでは、ステータ内径が８次に変形することで、コギング８次成分が発生する。このコギング成分は、モータの極スロットの組み合わせで必ず発生するコギング基本次数とは異なり、内径真円度の悪化といった工作の寸法ばらつき等で生じる成分である。

上記の特許文献１に示す技術では、ステータ鉄心の内径の真円度を改善する考慮がなされているが、そのために、内径側を拘束して外周方向から内周方向に応力を加える方法を採用しており、内径真円度を一律に改善することでトルク脈動を低減させている。この方法では、応力を加えるための大がかりな装置を必要とし、作業が困難であり高次のコギング成分を低減するのは難しかった。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたもので、ステータ鉄心の内径変形により生じるコギングなどのトルク脈動の発生を抑制し、トルク脈動の小さな永久磁石モータおよびその製造方法を提供することを目的とする。

この発明に係る永久磁石モータは、円筒状のコアバック部の内側に内方へ突出する複数のティース部が形成されたステータ鉄心、およびティース部のスロットに巻回された巻線を有するステータと、回転軸、回転軸に固定されたロータ鉄心、およびロータ鉄心に装着されて磁極を形成する複数の永久磁石を有するロータと、を備え、ステータ鉄心は、コア
バック部とティース部とが径方向で分割され、かつ、ティース部の内径側でティース先端部が連結されて一体に形成されており、ステータ鉄心の内径は、周方向において特定の次数で変形されているとともに、ステータ鉄心の軸方向で変形に位相差を有し、軸方向の全長では変形量がキャンセルされるように構成されているものである。

また、この発明に係る永久磁石モータの製造方法は、円筒状のコアバック部の内側に内方へ突出する複数のティース部が形成されたステータ鉄心、およびティース部のスロットに巻回された巻線を有するステータと、回転軸、回転軸に固定されたロータ鉄心、およびロータ鉄心に装着されて磁極を形成する複数の永久磁石を有するロータと、ステータを固定するモータハウジングと、を備え、ステータ鉄心は、コアバック部とティース部とを径方向で分割し、かつ、ティース部の内径側でティース先端部を連結して一体に形成し、ステータ鉄心の内径は、周方向において特定の次数で変形させるとともに、ステータ鉄心の軸方向で変形に位相差を設け、軸方向の全長では変形量をキャンセルするよう形成したものである。

この発明の永久磁石モータによれば、ステータを構成するステータ鉄心は、コアバック部とティース部とが径方向で分割され、かつ、ティース部の内径側でティース先端部が連結されて一体に形成されており、ステータ鉄心の内径は、周方向において特定の次数で変形されているとともに、ステータ鉄心の軸方向で変形に位相差を有し、軸方向の全長では変形量がキャンセルされるように構成されているので、内径変形を許容しながら軸方向に部分的に位相差を付けることで、軸方向全体では特定次数の変形量をキャンセルできるため、内径真円度の許容値を大きくでき、設備の調整を容易にして、トルク脈動の小さな永久磁石モータを得ることができる。しがって、製品コストの低減や、生産性の向上を図ることができる。

この発明の永久磁石モータの製造方法によれば、ステータを構成するステータ鉄心は、コアバック部とティース部とを径方向で分割し、かつ、ティース部の内径側でティース先端部を連結して一体に形成し、ステータ鉄心の内径は、周方向において特定の次数で変形させるとともに、ステータ鉄心の軸方向で変形に位相差を設け、軸方向の全長では変形量をキャンセルするよう形成したので、上記と同様の効果を得ることができる。

この発明の実施の形態１による永久磁石モータの軸線に沿う断面図である。 図１の永久磁石モータの軸線に直交方向の断面図である。 図１の永久磁石モータのステータの内径を治具により矯正する場合の説明図である。 図３の治具により矯正されたステータの内径の変形形状の説明図である。 実施の形態２のよる永久磁石モータに使用されるステータの軸線に直交方向の断面図である。

実施の形態１．
以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、この発明の実施の形態１による永久磁石モータの軸線に沿う断面図であり、図２は、図１の永久磁石モータの軸線に直交方向の断面図である。
図１および図２において、円筒状のモータハウジング１の内周面には、電機子であるステータ２が固定されている。ステータ２の内側には、ロータ３が配置されている。ステータ２とロータ３との間には、磁気的空隙を有している。

ステータ２は、磁性体からなる円筒状のステータ鉄心４と、ステータ鉄心４に装着されている複数の巻線５とを有している。さらに詳しく説明すれば、ステータ鉄心４は、電磁鋼板を積層して構成され、ヨークである円環状のコアバック部４ａと、コアバック部４ａから径方向内側に突出している複数のティース部４ｂとからなっている。図２に示すように、コアバック部４ａとティース部４ｂとは半径方向で２分割されており、かつ、ティース部４ｂは内径側でティース先端部が互いに連結されて一体に形成されている。またこのティース部４ｂは、ステータ鉄心４の周方向に互いに等間隔に配置されており、隣り合うティース部４ｂの間に形成されるスロットに、巻線５が納められている。ステータ２の軸方向両端には、巻線５のコイルエンド５ａが突出している。

ロータ３は、回転軸６と、回転軸６に固定されている円筒状のロータ鉄心７と、ロータ鉄心７に埋設されている複数の板状の永久磁石８とを有しており、回転軸６を中心に回転する。回転軸６は、第１の軸受９および第２の軸受１０を介してモータハウジング１に回転自在に支持されている。ロータ鉄心７は、例えば軟磁性体材料から成る複数の電磁鋼板を積層して構成されている。
ロータ鉄心７には、複数の磁石挿入穴７ａが、ロータ鉄心７の周方向に互いに等間隔をおいて設けられており、それぞれの磁石挿入穴７ａに永久磁石８が挿入されている。これにより、ステータ鉄心４に対向するロータ３の外周面に、複数のロータ磁極７ｂが形成されている。

図２の場合では、一例としてスロット数が４８、ロータ磁極７ｂの極数が８の場合を示しているが、スロット数および極数は図に限定するものではない。また、永久磁石８の配置も一例を示すものであり、図に限定するものではない。さらに、図１の断面図では、永久磁石８の図示は省略している。

通常、ステータ鉄心４の内径は、変形次数の低い成分ほど内径変形量が大きく、変形次数が高くなるほど内径変形量も小さくなっていくのが普通である。すなわち、コギング等のトルク脈動を低減するために内径真円度を改善しようとすると、脈動成分の原因となる変形次数は高いため、内径真円度の主成分である内径変形の次数の低い２次や３次をまず低減していかなくてはならず、過度に内径真円度を改善する必要がある。
そこで、次に、本実施の形態の特徴部について説明する。

図３は、コギングトルクの脈動を低減するために、ステータ２の内周側を、例えば治具１１により外力を加え、加圧矯正する場合の説明図であり、図３（ａ）は、ステータ２に治具１１を挿入した状態のステータ２の軸線に直交方向の断面図を示し、図３（ｂ）は、治具１１のみを取り出して軸線に沿う方向に見た側面図である。
治具１１は、コギングの８次成分を低減するため、図３（ａ）に示すように、周方向に均等に８分割されている。さらに、図３（ｂ）に示すように、側面から見ると、Ａ，Ｂ，Ｃのように軸方向に３分割されており、３分割された治具１１は、軸方向において、軸方向の１分割あたり１５度の位相差となるように周方向にずらせて配置されている。
なお、Ａ，Ｂ，Ｃは軸方向で完全に３分割しても良いが、例えば、周方向には８分割し、軸方向では図３（ｂ）のア，イ，ウを繋げて一体にしたものでも良い。

ステータ鉄心４のティース部４ｂのスロットに巻線５を巻回した状態で、コアバック部４ａに嵌合して組み合わせる。次に、ステータ２をモータハウジング１に挿入して組み合わせた状態で、ステータ鉄心４の内径側に治具１１を装着し、治具１１の中心側から矢印のように径方向外側に向かって外圧を加える。具体的には、例えば、治具１１の内径側にテーパ状の円柱治具を差し込み、内径を広げて矢印のような力を発生させれば良い。
治具１１は周方向に８分割されているので、治具１１の加圧により、ステータ鉄心４の内径は、周方向に見た場合、分割した個々の治具１１により加圧の差が発生し、わずかに
波打つように変形する。さらに、軸方向に見た場合、治具１１は、Ａ，Ｂ，Ｃで周方向にずれているので、Ａ，Ｂ，Ｃのそれぞれで変形に位相差が発生する。

図４は、変形させたステータ２の内径の変形形状の説明図である。縦軸は、ステータ２の内径の変形量を表している。目盛は理解を助けるために付したもので具体的な数値ではない。横軸は内径１周分の内周角度を機械角で示している。図中のＡは治具１１のＡ部分により成形されたステータ２の内径変形を示し、同様に、Ｂは治具１１のＢ部分により成形されたステータ２の内径変形を示し、Ｃは治具１１のＣ部分により成形されたステータ２の内径変形を示している。Ｄは、Ａ、Ｂ、Ｃを軸方向に足し合わせたものである。すなわち、各形状Ａ、Ｂ、Ｃを軸方向に足し合わせると、合計はＤのように変形量がゼロとなる。

図４のＡ，Ｂ，Ｃの波形を数式で示せば下記の式（１）から（３）のようになる。
ｙ_Ａ＝αcos｛８（θ−１５）｝ ・・・・（１）
ｙ_Ｂ＝αcos｛８（θ−０）｝ ・・・・（２）
ｙ_Ｃ＝αcos｛８（θ＋１５）｝ ・・・・（３）
ここで、αは変形の振幅を示し、θは図４の内周角度を示す。合計したＤの波形である波形ｙ_ａｌｌは、下記式（４）のようになる。
ｙ_ａｌｌ＝（ｙ_Ａ＋ｙ_Ｂ＋ｙ_Ｃ）
＝α｛cos（８θ−１２０）＋cos（８θ）＋cos（８θ＋１２０）｝
＝α（２cos８θ・cos１２０＋cos８θ）
＝α（−cos８θ＋cos８θ）
＝０ ・・・・（４）

すなわち、コギングによるトルク脈動の原因となる内径変形の特定次数、例えば、図２のような８極の場合、コギングの８次成分の原因となる内径変形の８次成分を、内径真円度で改善するのではなく、軸方向に分割して位相差を付けてキャンセルすることで、見かけ上、内径変形の８次成分をゼロとするものである。
これにより、高次で小さい内径変形量自身をさらに低減するといった高い工作精度が要求されない利点がある。

このように、軸方向全体で積分すると変形次数をキャンセルできるので、内径真円度が規格値からはずれて不良となることや、設備を精密に調整することが不必要となる。このため、製品コストを低減できることや、設備の段取り替えの際の時間短縮による生産高の改善、といった効果が得られる。特に電動パワーステアリング用モータでは、車格に応じた出力の異なる仕様違いのモータを年間数百万台と生産するため、不良率の改善や段取り替えの容易さは非常に効果的である。

上記の内径変形の特定次数の選定は、ロータ磁極７ｂの極数の整数倍、または、極数とスロット数の公約数のいずれかにすれば良い。そうすることで、コギングトルクなどによるトルク脈動を有効に低減することができる。

なお、本実施の形態では、治具１１の軸方向の分割数を３分割とし、位相差を１５度とした。これは、図３の場合、周方向に８分割されているので、１個分が４５度であり、これの１／３で１５度としたものである。３分割に限定するものではなく、例えば２分割にした場合は、位相差を２２．５度にすれば良い。また、一方のコア端から他方のコア端まで変形次数の１山分だけ連続スキューする方法でも良い。

以上のように、実施の形態１の永久磁石モータによれば、円筒状のコアバック部の内側に内方へ突出する複数のティース部が形成されたステータ鉄心、およびティース部のスロ
ットに巻回された巻線を有するステータと、回転軸、回転軸に固定されたロータ鉄心、およびロータ鉄心に装着されて磁極を形成する複数の永久磁石を有するロータと、を備え、ステータ鉄心は、コアバック部とティース部とが径方向で分割され、かつ、ティース部の内径側でティース先端部が連結されて一体に形成されており、ステータ鉄心の内径は、周方向において特定の次数で変形されているとともに、ステータ鉄心の軸方向で変形に位相差を有し、軸方向の全長では変形量がキャンセルされるように構成されているので、内径変形を許容しながら軸方向に部分的に位相差を付けることで、軸方向全体では特定次数の変形量をキャンセルできるため、内径真円度の許容値を大きくでき、設備の調整を容易にして、トルク脈動の小さな永久磁石モータを得ることができる。したがって、製品コストの低減や、生産性の向上を図ることが可能となる。

また、特定の次数は、ロータの極数の整数倍、または、極数とスロットの数との公約数のいずれかとしたので、各種の永久磁石モータにおいて、トルク脈動の小さな永久磁石モータを容易に得ることができる。

また、実施の形態１の永久磁石モータの製造方法によれば、ステータを構成するステータ鉄心は、コアバック部とティース部とを径方向で分割し、かつ、ティース部の内径側でティース先端部を連結して一体に形成し、ステータ鉄心の内径は、周方向において特定の次数で変形させるとともに、ステータ鉄心の軸方向で変形に位相差を設け、軸方向の全長では変形量をキャンセルするよう形成したので、上記と同様の効果を得ることができる。

さらに、ステータ鉄心の内径は、治具により内側から外径側に外力を加えることで変形させるようにしたので、治具を用いて容易にステータ鉄心の内径を軸方向に位相差を付けて変形させることができる。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２による永久磁石モータに使用されるステータ２の軸線に直交方向の断面図である。実施の形態１の図２のステータ２に対応する部分であり、図２と同様に４８スロット、８極の場合のステータ２の部分のみを示している。図２と同等部分は同一符号を付して説明は省略する。図２との相違点は、ティース部４ｂの内径側でティース先端部が連結されている連結部の半径方向の厚さを、４８箇所のうち８箇所（図５（ａ）に破線丸印で示すエ部分）だけ、周方向に等間隔の位置で、肉厚を厚くした肉厚部１２を設けている。図５（ｂ）は、図５（ａ）のエ部分の拡大図である。
また、この８箇所の肉厚部１２は、ステータ鉄心４を軸方向に見た場合、軸方向に３等分に区画した位置で位相が異なっており、軸方向の１区画あたり周方向に１５度だけ位相差がつくように形成されている。

このため、コアバック部４ａに巻線５を巻回したティース部４ｂを嵌合させて一体化すると、ステータ鉄心４の内径は圧縮応力を受け、このとき内径強度が周方向に不均一のため、１区画では図４のＡのように変形する。この８箇所は軸方向の３区画で位相が異なり、軸方向の１区画あたり１５度位相差がつくように形成されているので、他の２区画の内径変形はそれぞれ図４のＢ、Ｃのようになる。
このような構成により、実施の形態１の場合と同様に、コギングによるトルク脈動の原因となる内径変形の特定次数、例えば、８極の場合、コギングの８次成分の原因となる内径変形の８次成分を、軸方向に位相差を付けてキャンセルすることで、見かけ上、内径変形の８次成分をゼロとすることができる。

本実施の形態は、ティース先端部の連結部の８箇所において肉厚を厚くすることで内径強度の不均一部を形成したが、逆に肉厚を薄くしても良い。
また、本実施の形態では軸方向に３区画としたが、２区画としても良く、この場合の位
相差は２２．５度となる。また、一方のコア端から他方のコア端まで変形次数の１山分だけ連続スキューされるように位相差を有する構造でも良い。
要は、実施の形態１と同様に、極数またはスロット数から決まる特定の次数で、周方向に等間隔の位置に強度が不均一な部分を設け、かつ、この不均一の部分を軸方向に位相差を付けるものである。

これまで説明した実施の形態１および実施の形態２において、ステータ２のモータハウジング１への組み付け、圧入または焼嵌めにより固定するのが望ましい。
圧入または焼嵌めにより、ステータ鉄心４の内周側には圧縮応力が加わるので、実施の形態１、または、実施の形態２の方法で、特定の次数のステータ内径変形を大きくすることが容易となる。

以上のように、実施の形態２の永久磁石モータの製造方法によれば、ティース部の内径側において、ティース先端部を連結した連結部に厚さの異なる部位を周方向に等間隔に形成し、コアバック部にティース部を組み合わせたときに構造強度が不均一になることでステータ鉄心の内径を変形させるようにしたので、特別な装置を必要とせずに、コアバック部にティース部を組み合わせることで、軸方向に部分的に位相差を付けながらステータ鉄心の内径を変形できるので、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、ステータは、モータハウジングに圧入または焼嵌めにより固定するようにしたので、ステータ鉄心の内径側には圧縮応力が加わるため、ステータ鉄心の特定次数の内径変形を大きくすることが容易となる。

なお、本願発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変更、省略したりすることができる。

１ モータハウジング、２ ステータ、３ ロータ、４ ステータ鉄心、４ａ コアバック部、４ｂ ティース部、５ 巻線、５ａ コイルエンド、６ 回転軸、７ ロータ鉄心、７ａ 磁石挿入穴、７ｂ ロータ磁極、８ 永久磁石、９ 第１の軸受、１０ 第２の軸受、１１ 治具、１２ 肉厚部

Claims (6)

1. 円筒状のコアバック部の内側に内方へ突出する複数のティース部が形成されたステータ鉄心、および前記ティース部のスロットに巻回された巻線を有するステータと、
   回転軸、前記回転軸に固定されたロータ鉄心、および前記ロータ鉄心に装着されて磁極を形成する複数の永久磁石を有するロータと、を備え、
   前記ステータ鉄心は、前記コアバック部と前記ティース部とが径方向で分割され、かつ、前記ティース部の内径側でティース先端部が連結されて一体に形成されており、
   前記ステータ鉄心の内径は、周方向において特定の次数で変形されているとともに、前記ステータ鉄心の軸方向で前記変形に位相差を有し、前記軸方向の全長では変形量がキャンセルされるように構成されていることを特徴とする永久磁石モータ。
2. 前記特定の次数は、前記ロータの極数の整数倍、または、前記極数とスロット数との公約数のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石モータ。
3. 円筒状のコアバック部の内側に内方へ突出する複数のティース部が形成されたステータ鉄心、および前記ティース部のスロットに巻回された巻線を有するステータと、
   回転軸、前記回転軸に固定されたロータ鉄心、および前記ロータ鉄心に装着されて磁極を形成する複数の永久磁石を有するロータと、
   前記ステータを固定するモータハウジングと、を備え、
   前記ステータ鉄心は、前記コアバック部と前記ティース部とを径方向で分割し、かつ、前記ティース部の内径側でティース先端部を連結して一体に形成し、
   前記ステータ鉄心の内径は、周方向において特定の次数で変形させるとともに、前記ステータ鉄心の軸方向で前記変形に位相差を設け、前記軸方向の全長では変形量をキャンセルするよう形成したことを特徴とする永久磁石モータの製造方法。
4. 前記ステータ鉄心の内径は、治具により内側から外径側に外力を加えることで変形させていることを特徴とする請求項３に記載の永久磁石モータの製造方法。
5. 前記ティース部の内径側において、前記ティース先端部を連結した連結部に厚さの異なる部位を周方向に等間隔に形成し、前記コアバック部に前記ティース部を組み合わせたときに構造強度が不均一になることで前記ステータ鉄心の内径を変形させることを特徴とする請求項３に記載の永久磁石モータの製造方法。
6. 前記ステータは、前記モータハウジングに圧入または焼嵌めにより固定することを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の永久磁石モータの製造方法。
   

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